Caracterización de materiales arcillosos y su potencial aplicación en la industria cerámica

Abstract

El Área Metropolitana de Cúcuta se encuentra privilegiada por poseer formaciones arcillosas de excelente calidad, lo que ha permitido dar origen a uno de los sectores más significativos de la región: la industria cerámica, dedicada a la fabricación de productos a base de arcilla, de los que se destacan los materiales de la construcción. Los depósitos de minerales arcillosos en el departamento de Norte de Santander son aproximadamente de 2196 km2 lo que corresponden al 10,1 % de la extensión departamental. Otro factor significativo en esta industria es la mano de obra cualificada que tienen las empresas, este arte ha sido tradición de las familias Nortesantandereanas, el conocimiento se ha transmitido por generaciones y se ha ido fortaleciendo a través de capacitaciones generadas por diferentes instituciones. Ésta industria tiene en la actualidad 27 empresas asociadas en Induarcillas , lo que la convierte en una de las principales alternativas económicas para la región, la participación que ocupa en las exportaciones realizadas por el departamento de Norte de Santander ha ido variando debido a los problemas propios que se presentan en la frontera. El hecho de que se tengan problemas económicos y sociales en la frontera, ha obligado en la actualidad a las empresas a conquistar nuevos mercados con productos de excelente calidad y con valores agregados, debido a ésta necesidad se requiere aprovechar al máximo las propiedades que tienen las arcillas de la región, pero para lograr este objetivo se necesita adquirir conocimiento en la estructura, composición y comportamiento de estas materias primas, las investigaciones que se han venido realizando en la región en esta área buscan aportar a lograr este objetivo. En este trabajo se caracterizó física, química, térmica, mineralógica y tecnológicamente tres materiales arcillosos provenientes de la Formación Guayabo, León y Carbonera del Área Metropolitana de Cúcuta, para ello se seleccionó una mina de cada formación. La caracterización mineralógica se realizó mediante difracción de rayos (DRX) y espectroscopia infrarroja con transformada de Fourier (FTIR), para la composición química se aplicó la técnica de fluorescencia de rayos X (FRX), el comportamiento térmico se analizó a través de dilatometría, calorimetría diferencial de barrido (DSC) y análisis termogravimétrico (TGA) y la potencial aplicación en cerámica se evaluó con base en las propiedades físico-cerámicas y tecnológicas, para esto se conformaron probetas por el proceso de extrusión, pasando por las diferentes etapas a nivel de laboratorio: secado y cocción en condiciones constantes, tratando de simular el proceso industrial de fabricación de un producto cerámico tradicional. El análisis mineralógico determinó que las principales fases cristalinas en las muestras fueron cuarzo, caolinita, moscovita y hematita, lo que indican que son arcillas illitas – caolinitas. Así mismo, el análisis químico indicó la presencia principalmente de Si, Al, Fe y K. Los resultados por espectroscopia infrarroja confirmaron la presencia de los grupos funcionales de los minerales, tales como, cuarzo, hematita, caolinita y de los aluminosilicatos. Los análisis térmicos indicaron las transformaciones químicas y físicas que sufren los materiales arcillosos cuando son sometidos a un proceso de calentamiento, como deshidrataciones de agua absorbida y adsorbida, deshidroxilaciones de los minerales arcillosos, descomposición de materia orgánica y formación de nuevas fases como la mullita. Con la información obtenida de DRX y FTIR se determinó que la caolinita contenida en la muestra estaba estructuralmente ordenada. Los análisis físico-cerámicos indicaron que las muestras eran de plasticidad media, excepto la muestra de la Formación León, la cual era altamente plástica; esto se vio evidenciado en las perdidas de masa y en la contracción lineal. En los análisis tecnológicos las muestras cocidas bajo los parámetros de la curva de cocción presentaron mejores propiedades en comparación a las muestras cocidas bajo los parámetros de la curva de cocción sugerida por el CIMAC. Las muestras de la Formación Guayabo y Formación carbonera son aptas para elaborar baldosas del grupo AII, mientras que la muestra de la Formación León es apta para elaborar baldosas de baja absorción de agua (grupo AI) como los soportes del porcelanato. Es importante resaltar que todas las muestras cocidas bajo los parámetros de la curva de cocción diseñada presentaron la fase mullita, que no suele ser muy común en los productos de arcilla roja, y es un indicador que demuestra que se llevó a cabo un buen proceso de cocción. La información obtenida en esta investigación permitió conocer las propiedades físicocerámicas, tecnológicas, el comportamiento térmico y la composición química y mineralógica de forma general del material arcilloso de la región, ya que se analizaron diferentes muestras del Área Metropolitana de Cúcuta , lo que permite ser un precedente para futuras investigaciones con el fin de optimizar los procesos de fabricación de productos cerámicos para la construcción y de esta manera darle valor agregado, y a su vez permita evaluar su aptitud de uso en los diferentes campos de utilización de este material tan valioso.

The Cúcuta Metropolitan Area is privileged to possess excellent quality clay formations, which has allowed to give rise to one of the most significant sectors of the region: the ceramic industry, dedicated to the manufacture of clay-based products, of which construction materials stand out. The clay mineral deposits in the department of Norte de Santander are approximately 2,196 km2, which corresponds to 10.1% of the departmental extension. Another significant factor in this industry is the qualified workforce that companies have, this art has been a tradition of the families of this region, knowledge has been transmitted for generations and has been strengthened through training generated by different institutions. This industry currently has 27 companies associated in Induarcillas, which makes it one of the main economic alternatives for the region, the participation that it occupies in the exports made by the department of Norte de Santander has been changing due to its own problems that are presented at the border. The fact that there are economic and social problems on the border, has currently forced companies to conquer new markets with products of excellent quality and with added values. Because of this need it is necessary to take advantage of the region clays properties, but to achieve this objective it is necessary to acquire knowledge on the structure, composition and behavior of these raw materials, the research that has been carried out in the region in this area seeks to contribute to achieving this objective. In this work, three clay materials from the Guayabo, León and Carbonera Formation of the Cúcuta Metropolitan Area were characterized physically, chemically, thermally, mineralogically and technologically, for which a mine was selected from each formation. The mineralogical characterization was carried out by means of X-Ray Diffraction (XRD) and Fourier transform Infrared Spectroscopy (FTIR), for the chemical composition the XRay Fluorescence technique (XRF) was applied, the thermal behavior was analyzed through dilatometry, Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA) and the potential application in ceramics was evaluated based on the physical-ceramic and technological properties, for this, specimens were formed by the extrusion process, passing through the different stages at level laboratory: drying and firing under constant conditions, trying to simulate the industrial manufacturing process of a traditional ceramic product. The mineralogical analysis determined that the main crystalline phases in the samples were quartz, kaolinite, muscovite and hematite, which indicate that they are illite-kaolinite clays. Likewise, the chemical analysis indicated the presence mainly of Si, Al, Fe and K. The results by infrared spectroscopy confirmed the presence of the functional groups of the minerals, such as quartz, hematite, kaolinite and the aluminosilicates. The thermal analyzes indicated the chemical and physical transformations that clay materials undergo when they are subjected to a heating process, such as dehydration of absorbed and adsorbed water, dehydroxylations of clay minerals, decomposition of organic matter and formation of new phases such as mullite. With the information obtained from XRD and FTIR, it was determined that the kaolinite contained in the sample was structurally ordered. The physical-ceramic analyzes indicated that the samples were of medium plasticity, except for the León Formation sample, which was highly plastic; this was evidenced in mass losses and linear contraction. In technological analyzes, the firing samples under the parameters of the proposed firing curve showed better properties compared to the firing samples under the parameters of the firing curve suggested by CIMAC. The samples from the Guayabo Formation and the Carbonera Formation are suitable for making group AII tiles, while the sample from the León Formation is suitable for making tiles with low water absorption (group AI) such as porcelain tile supports. It is important to highlight that all the samples fired under the parameters of the designed firing curve presented the mullite phase, which is not usually very common in red clay products, and is an indicator that shows that a good firing process was carried out. The information obtained in this research allowed to know the physical-ceramic, technological properties, the thermal behavior and the chemical and mineralogical composition in general of the clay material of the region, since different samples of the Metropolitan Area of Cúcuta were analyzed, which allows be a precedent for future research in order to optimize the manufacturing processes of ceramic products for construction and in this way give them added value, and at the same time allow evaluating their aptitude for use in the different fields of use of this highly valuable material